聚合物流變性能的應(yīng)用研究

隨著人們對轉(zhuǎn)矩流變儀應(yīng)用研究的深入和功能的拓展，它己成為聚合物共混及實驗流變學(xué)中*的重要工具，可廣泛用于原材料、生產(chǎn)工藝的研究、開發(fā)與產(chǎn)品質(zhì)量控制等領(lǐng)域。

• CTR-100型轉(zhuǎn)矩流變儀聚合物流變性能的研究

為將轉(zhuǎn)矩流變儀的輸入( 轉(zhuǎn)速、溫度 )、輸出參數(shù)( 轉(zhuǎn)矩、料度 )與物料的流變性能聯(lián)系起來，Goo-drich和Porter首先建立了轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速之間的線性關(guān)系，Blyler和Daane則進一步考慮了溫度對轉(zhuǎn)矩的影響，提出了如下關(guān)系式:M=C(n)mNn 。但是與C(n)有關(guān)的幾個數(shù)無法直接得到。Lee和Purdon，Marquez等分別推導(dǎo)出了不同的C(n)進行擬合，提出了一種計等α的簡化方法。引入了無量綱參數(shù)C'(n)來消除密煉室以及轉(zhuǎn)子幾何尺寸的影響，并采用指數(shù)模型擬合得到了α和C'(n)之間的關(guān)系式，從而可以準(zhǔn)確預(yù)測α大于0.9時C'(n)及 C(n)的變化趨勢。與以上研究者不同，Bousmina等則認(rèn)為α是與聚合物材料特性及流變性能天關(guān)的常數(shù)，對高聚物熔體的流變性能及其在轉(zhuǎn)矩流變儀中的流變行打并不敏感。認(rèn)為，當(dāng)?shù)刃S圓筒的間隙非常小[(R2－R1)/ R2<<1]時，r = (R1＋R2)/2處的剪切速率僅與轉(zhuǎn)速有關(guān)，而與熔體的類型無關(guān)，因此可采用牛頓流體來進行計算剪切速率和粘度。

但是，所有這些研究都忽略了一個明顯的事實：對于密閉混合器而言，物料通常并不是*充滿混合器的內(nèi)腔，而是以一定的比率進行填充。在Haake轉(zhuǎn)矩流變儀的用戶手冊中，建議物料的填充體積與混合室內(nèi)腔的體積之比為65%～90%。此時，處于熔融狀態(tài)的物料是否能充滿整個混合器呢？如果不能，那么對轉(zhuǎn)矩流變儀中的聚合物熔體進行流變學(xué)分析是否需要修正呢？持此采用統(tǒng)計實驗設(shè)計方法合理安排實驗計劃，并對以前的工作進行了進一步發(fā)展，提出了采用轉(zhuǎn)矩流變儀研究聚合物流變性能的新模型。

圖一，是采用數(shù)碼相機拍攝得到的HDPE熔體在Haake密閉式混合窒中的正視圖。實驗條件是：表觀填充系數(shù)f(即物料的填充體積與混合室空腔的體積之比)=70%，溫度T =170℃，共混時間t =8 min 。顯然，填充系數(shù)指70%時聚合物熔體未能*充滿整個混合室。

圖一

CTR-100型轉(zhuǎn)矩流變儀平衡轉(zhuǎn)矩的計算

  圖二，在實驗中典型的轉(zhuǎn)矩和溫度隨時間變化的曲線。從圖中可以看出，在實驗的初始階段，轉(zhuǎn)矩曲線上出了一個尖銳的加料轉(zhuǎn)矩峰，溫度曲線則在相應(yīng)位置出現(xiàn)了大幅度的下降。其原因是固體聚合物粒子加入到混合器中后，在熱的作用下粒子表面首先熔融，粘連在一起的粒子對自己旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子產(chǎn)生了很大的阻礙，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩急劇上升；而聚合物粒子的熔融又需要大量的熱量，因此混合室的溫度急劇下降；當(dāng)粒子的內(nèi)核開始熔融時，轉(zhuǎn)矩開始下降。在實驗的第二階段，即在3 min時，轉(zhuǎn)速申最初的10r/min程序控制升至40r/min，相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩有一個較大的躍升，然后再次緩慢下降。由于起冷卻作用的壓縮空氣不能及時地將因剪切而產(chǎn)生的熱量帶走，因此導(dǎo)致物料溫度隨時間延長而升高。值得指示的是，無論是轉(zhuǎn)矩緩慢下降、還是濕度的緩慢升高，兩者都是以指數(shù)衰減的方式趨于各自平衡值。

圖二：Haake轉(zhuǎn)矩流變儀得到的典型轉(zhuǎn)矩、溫度曲線

因此，可以采用指數(shù)衰減模型來描述轉(zhuǎn)矩和溫度隨時間的變化：

M =MB+Aexp(－t－t0／λM)          2-1

T = TB－Bexp(－t－t0／λT)          2-2

式中：MB是平衡轉(zhuǎn)矩； TB是平衡溫度； t0是轉(zhuǎn)由10r/c升至設(shè)定轉(zhuǎn)速的時間，即實驗中第二階段開始的時間 (３min ) 。A、B、λM、λT均為待定系數(shù)。可以看出，λM、λT反映了轉(zhuǎn)矩、溫度隨時間變化的快慢，即與聚合物材料的松弛特性有關(guān)。當(dāng)(t－t0)／λM或(t－t0) ／λT趨于無窮大時，上述兩式的右邊第二項均趨于零，轉(zhuǎn)矩和溫度也趨于其平衡值MB和TB；

lim     M=MB                                         2-3

(t－t0) λM →∞

lim     T = TB                                         2-4

(t－t0) λT →∞

基于上述兩式，可以對實驗中第二階段的轉(zhuǎn)矩和溫度曲線進行擬合，從而得到聚合物熔體在轉(zhuǎn)矩流變儀中混合的MB和TB。

將整個試驗過程分為兩個階段的優(yōu)點在于：①加料葉采用低轉(zhuǎn)速可避免加料轉(zhuǎn)矩峰值過大，從而保護儀器設(shè)備；②在低轉(zhuǎn)速下對聚合物熔體進行３min的預(yù)混合，可消除因加料速度不同等未知因素對測試結(jié)果的影響，從而保證所有試驗在第二階段都是從相同的起始狀態(tài)開始的。